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光電化學 — 基礎部分

點擊次數:2599 更新時間:2020-03-24

目的

本應用報告介紹Gamry光電化學系統系列報告中的一部分。

這部分主要介紹光譜方面的重要術語和參數等基本概念。描述了光電化學實驗裝置,介紹Gamry光譜設備。

第二部分討論在Gamry Framework軟件中進行光譜實驗,介紹各參數的含義,用Echem Analyst進行數據分析,以具體實驗為例來闡述新的光譜分析。

前言

光譜學在分析化學中應用廣泛,各種類型的材料可以通過電磁輻射研究他們的相互作用,進行研究和表征。

光譜電化學結合了兩個主要領域的應用,材料表面或者溶液的光學過程和電化學過程可以同時被研究。結合兩方面的同步結果進行分析,可以深入研究反應的潛在機理,及進行更多精確的分析。

為便于理解,本應用報告介紹了光譜學術語,解釋了基本的概念以及更多實際的應用。

電磁波譜

光譜學中,常常通過研究物質與電磁輻射的相互作用來開展研究。這種形式的能量可以描述成電磁波,包含一對電場E和磁場B。圖1顯示的就是電磁波的示意圖

圖1:電磁波沿x方向傳播,包含一對電場E和磁場B

另一個重要的方面是光的粒子性。當光照在金屬表面時,光粒子將能量轉移到表面逸出的電子上。

這種現象稱為光電效應。用光的波的性質不能*描述清楚,因此光被認為是光粒子的流動,稱為光子。

使電子從金屬表面逸出需要的光子能量E與光的波長成反比,請看公式 1

Spectroelectrochemistry-Part-1.pdf.jpg公式1

V代表電磁波的頻率,h是普朗克常數(6.626?10-34 J?s),C代表光速(大約 300?106 m?s-1)。

光同時具有波和粒子的特性,被稱為波粒二象性。

整個范圍的電磁輻射概括稱為電磁波譜,請看圖2。一般按照波長或能量分成幾組。

圖2-電磁波譜圖

常見的電磁波是可見光(Vis), 它包含所有人的肉眼能夠看到的顏色。然而,可見光(400-750nm)僅僅是整個光譜中的很小一部分。

波譜中往更高的波長、更低能量的方向是紅外光(IR)。紅外光的范圍是750 nm 到 1 mm ,好比就是物體發出和反射的熱量。

繼續往更高的波長方向看是微波(MW),它的能量更低,微波常常用于雷達技術。無線電波所在的區域波長從幾米到幾千米。常用的領域是無線電通訊。

波譜的另一側展現的輻射具有更高的能量和更低的波長,紫外光(UV)覆蓋了400 nm 到 10 nm的范圍,常常用于殺菌和凈化。

能量更高的電磁輻射分為X射線和Gamma射線,后者是由放射性的衰減過程釋放出來的,例如太陽或者核爆炸。這樣的能量輻射可能會引起癌癥,以及損傷DNA,然而,它仍可用于醫學檢查和癌癥治療。

吸收光譜

按照電磁輻射與物質的相互作用,光譜可以分成很多種類。能量可以被吸收、發射、反射或散射等。本應用報告主要著重于吸收光譜。

吸收光譜正如它的名字,主要研究電磁輻射被物質吸收的過程。輻射或能量的不同,分子和原子與電磁輻射將以不同的方式相互作用。表1列出了基于分子和原子的不同輻射能量與物質間,不同的相互作用。

MW
微波

Change of molecule orientation (rotational)
改變分子的方向(轉動)

Change of molecule orientation

IR
紅外

Change of molecule configuration (vibrational)
改變分子結構(振動)

Change of molecule configuration

UV-Vis
紫外-可見       

Change of electron distribution (outer shell)
改變電子分布(外層)

Change of electron distribution

X-rays
X射線

Change of electron distribution (inner shell)
改變電子分布(內層)

Change of electron distribution (inner shell)

表1:電磁輻射對分子及原子的影響

吸收能量的量和波長范圍取決于分子結構。 因此,測量通過樣品的輻射能量,得到每種分子結構對應的光譜指紋圖譜。

重要的參數和公式

光譜檢測器將光電流從光信號轉化成電流信號,輸出信號大小取決于通過樣品后光的強度。

光強I

當光通過透明介質,入射光的光強將以指數降低,衰減的程度與通過介質的距離d及相關波長吸收系數k有關。

Spectroelectrochemistry-Part-1.pdf 2.jpg公式2

透光率T

透光率是入射光通過透明介質的比例,通常用百分比表示:

Spectroelectrochemistry-Part-1.pdf 3.jpg公式3

吸光度A

吸光度類似透光率,表示介質對能量的吸收,用透光率T的負對數來表示。

Spectroelectrochemistry-Part-1.pdf 4.jpg公式4

例如,吸光度等于3,那就代表只有千分之一的入射光到達檢測器。一般來說,吸光度達到1左右時,準確性較高。

請注意:文獻中,有時將吸光度稱為消光度(衰減率),現在已經不推薦使用,因為它還考慮了冷光和光散射的影響。

積分時間t

積分時間t定義的是光譜檢測器收集光子記錄單個光譜的時間,不同的實驗,可以從幾毫秒到幾秒。

一般來說,積分時間越長,光輸出信號越強,具有更好的信噪比。然而,積分時間如果太長,檢測器可能會達到飽和。吸收峰信號可能會被截斷,形成平頭峰使測量失真。

請注意:在測量之前,先檢查光譜的技術參數,并做預實驗確定合適的積分時間

朗伯-比耳定律

P. Bouguer, J. H. Lambert 和 A. Beer證明了吸光度與透明介質的濃度成正比。

Spectroelectrochemistry-Part-1.pdf 5.jpg公式5

ε代表摩爾吸光系數,d是吸收池厚度。因為吸收光譜是非常靈敏的技術,所以能夠測到樣品濃度的微小變化。

光譜曲線

將感興趣的物理量(如吸光度、透光率或原始計數等)對波長作圖,得到吸收光譜、透射光譜和原始光譜。

圖3是吸收光譜圖,在270nm、380nm和630nm處出現吸收峰。

 

在紫外-可見光區的吸收光譜曲線示例

圖3 - 在紫外-可見光區的吸收光譜曲線示例

波長一般單位采用nm,在紅外光譜中,譜圖的x軸通常用波長的倒數表示,即波數,單位一般采用cm-1

光電化學實驗裝置

典型的吸收光譜電化學實驗裝置如圖4:

光電化學實驗裝置圖

圖4 – 光電化學實驗裝置圖

光源

常見的光源包括氘燈、鎢燈、鹵素燈、LED及激光,但不局限于這些,光會通過光纖照到樣品上。

光的輸出可能是較大范圍波長的光譜,也可能范圍較窄,只有幾個納米。后者絕大多數用于熒光光譜分析,物質受到激光輻射之后,對產生的熒光進行測量。

光電化學池

樣品位于吸收池中,通過樣品的光的波長范圍受到吸收池材料的限制,有便宜、一次性的塑料材質,也有熔融石英玻璃材質,后者更昂貴一些,但可以做更低波長的紫外吸收光譜測試。

吸收池決定了光通過樣品的距離,一般常見的吸收池厚度為1cm,更短距離的,幾毫米厚度的吸收池一般用于待測物濃度很高,或者樣品量很小的情況;更長距離的吸收池一般用于待測物濃度很低,吸收很小的情況(見公式 5)。

另外,對于光譜電化學實驗,工作電極、輔助電極、參比電極都浸沒在待測樣品中,但只有工作電極是位于光路中,一般使用細小的金屬網或者有很薄涂層的玻璃基片,這些材料能夠盡量讓光透過。

光譜儀

通過吸收池之后,光束通過狹縫后進入光譜儀。狹縫決定了有多少光進入,以及進入光的分辨率。

光譜儀另一個重要的部分是光柵,它的細微的結構是決定光分辨率的重要因素。光通過光柵之前,光束是由不同波長的光組成的能量的整體,光柵可以將這個整體區分開,讓衍射光進入單色器——也就是將光分開成不同波段的很多束光。

光束經過光譜儀內的棱鏡,后到達檢測器,許多現代光譜儀采用的是CCD(電荷耦合元件)陣列。CCD中包含具有光活性區域的半導體,檢測器能夠將光電流從光轉換成電信號,輸出信號是按不同波長分開的。

恒電位儀

恒電位儀用于進行吸收池中的電化學實驗。恒電位儀一邊與工作電極、輔助電極和參比電極相連,另一邊與電腦連接。

電腦

光譜儀和恒電位儀分別通過數據接口與同一臺電腦連接。使用專門的軟件設定參數,控制儀器運行。完成實驗之后,記錄和保存數據,然后進行分析。

Gamry光電化學系統

以下部分介紹Gamry光譜電化學測試系統。它既可以單獨進行光譜測試,也可以在光譜測試的同時進行電化學測試。該系統與Gamry各型號恒電位儀(電化學工作站)的硬件和軟件*兼容。

Gamry提供兩種型號的光譜電化學測試系統Spectro?115E 和 Spectro?115U。每種系統都包含一個氘燈和鎢燈的光源,一個吸收池支架,兩根光纖。

Spectro?115E 和 Spectro?115U光譜儀

這兩個型號的光譜儀具有不同的光柵結構,Spectro?115E適合于350-1050nm的可見和近紅外光區的測試;Spectro?115U適合于200-850nm的紫外-可見光區測試

Gamry Spectro 115U光譜儀

圖5—Gamry Spectro 115U光譜儀

該光譜儀配備2048像素線陣CCD檢測器,光的分辨率是0.3nm,信噪比250:1(full signal)。積分時間范圍1ms至65s。

該光譜儀整體的尺寸為8.9 cm x 6.3 cm x 3.4 cm (長 x寬 x 高)。兩種光譜儀均提供USB 2.0 和 RS?232接口進行連接。光纖通過標準的SMA?905連接頭連接。

 

紫外-可見-近紅外光源

Spectro?115E 或 Spectro?115U系統的光源是氘燈和鎢鹵素燈(見圖6)。全部光譜輸出范圍從215nm至2500nm。

 

氘燈和鎢鹵素燈光源

圖6 – Gamry氘燈和鎢鹵素燈光源

氘燈的光譜是從大約200nm至400nm,屬于紫外光的范圍,鎢鹵素燈的光譜輸出范圍是從400-2500nm,覆蓋了可見光和近紅外光的區域。兩種燈可以通過前面板的開關單獨進行控制。

第三個開關打開和關閉快門,來控制通過光纖的光的輸出。這個開關允許使用TTL信號來對所有功能進行自動控制。它是通過后面板一個15針的連接頭來控制的。

該光源的尺寸為14 cm x 12.5 cm x 5 cm (長x 寬 x 高),由一個12V電源供電,連接頭在儀器的后面板。前面板有一個標準的SMA 905光纖連接頭。

四向吸收池支架

四向吸收池支架可用于吸光度、散射、熒光測試。每個方向都有SMA?905連接頭,該支架適合于所有標準的12.5 mm x 12.5 mm吸收池。

適用于標準吸收池的四向吸收池支架

圖7- 適用于標準吸收池的四向吸收池支架

光纖

每個光譜系統都包含兩根30cm長的光纖,均使用標準的SMA?905連接頭。芯的直徑為600 µm,用于紫外可見光區測試的,直徑可達1100nm。

30cm長的光纖

圖8 - 30cm長的光纖

重要提示:不要讓光纖過于彎曲,可能會折斷,大彎曲半徑12cm。

 

總結

本應用報告是Gamry光電化學系統系列報告的一部分,介紹了光譜的基本知識,解釋了一些重要的參數和術語。另外,還介紹了光譜電化學實驗的一般實驗裝置并討論了各部分的功能。

后,介紹了Gamry光譜電化學設備,包括光譜儀、光源、吸收池支架及光纖。

系列報告的第二部分將以Gamry Framework軟件為基礎,討論具體實驗,以及采用Analyst針對光譜相關的數據分析。

 

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